JP2857176B2

JP2857176B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2857176B2
Application number: JP24884789A
Authority: JP
Inventors: 晃高橋; 正志知野; 徹橋本; 光浩三宅; 稔西田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1989-09-25
Filing date: 1989-09-25
Publication date: 1999-02-10
Anticipated expiration: 2014-02-10
Also published as: JPH03111645A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、より詳し
くは、機関排気系に設けた空燃比センサを用いて空燃比
を所定値にフィードバック制御し、排気通路を設けた三
元触媒の浄化機能を最大限に発揮させるようにした排気
浄化装置に関する。

［従来の技術］内燃機関の排気ガス中の三有害成分（HC,CO,NO_x）を
除去するためのいわゆる三元触媒を効果的に働かせるに
は、触媒に入る排気ガスの空燃比を理論空燃比近くに保
つ必要がある。このため従来より、気化器式あるいは燃
料噴射式であるを問わず、機関排気系内に空燃比センサ
（酸素濃淡電池作用によるいわゆるO₂センサ）を用いて
吸入混合気の空燃比をフィードバック制御する排気浄化
システムが採用されている（例えば、特開昭52−48738
号，特公昭62−12379号参照）。このような空燃比シス
テムを用いた従来の空燃比制御方法を第８図を用いて簡
単に説明する。第８図（ａ），（ｂ）は、排気ガス中の
O₂濃度に応じた出力電圧を発生するO₂センサの出力信号
であり、同図（ｂ），（ｅ）は、上記（ａ），（ｄ）の
電圧信号を0.5vの基準電圧信号と比較して波形整形した
空燃比信号である。この波形整形された空燃比センサの
出力信号に対して（ｃ），（ｆ）に示すように空燃比を
比例積分制御（PI制御）する。

空燃比センサは、排気ガス中のO₂濃度を検出するもの
で、機関燃焼室内での燃焼の際の空燃比が理論空燃比
（通常14.7程度）より小さい（以下リッチ状態と呼ぶ）
か、大きい（以下リーン状態と呼ぶ）かを判別するため
のものである。この判別信号に応じて機関に供給する燃
料量、すなわち空燃比λを以下のように制御する。まず
機関回転数（以下Neと略す）が低い場合には、第８図
（ｂ）において空燃比センサ出力信号がリーン状態から
リッチ状態に反転したとき、帰還制御量信号（第８図
（ｃ））を、遅延時間Ｄだけ遅らせて、リーン側に比例
分としてのスキップ量Ｂだけスキップさせる。以後、第
８図（ｂ）の空燃比信号がリッチからリーン状態に反転
するまで積分定数（傾き）Ｃでリーン側に積分してい
く。そして、第８図（ｂ）の空燃比信号がリッチからリ
ーンに反転すると、直ちにリッチ側にスキップ量Ｂだけ
スキップさせ、再びリーンからリッチに反転するまで傾
きＣでリッチ側に積分していく。以下これを繰り返す。
第８図（ｅ），（ｆ）は機関回転数Neが高い場合の空燃
比センサ出力信号（第８図（ｅ））に対する帰還制御量
信号（第８図（ｆ））を示しており、制御方法は上記低
回転の場合と同じである。なお、遅延時間Ｄは空燃比セ
ンサの検知部周囲雰囲気がリーンからリッチ若しくはリ
ッチからリーンに反転したときの、空燃比センサ出力信
号の検出応答遅れの差を補償するものであり、第８図で
は説明のための長さに誇張して図示している。この制御
方法により平均空燃比を理論空燃比に制御し、三元触媒
の排気浄化機能を最大限に発揮させることができる。

［発明が解決しようとする課題］上記従来の空熱比制御方法の場合は、第８図でも明ら
かなように、機関の高回転，高負荷側では制御周期T,制
御振幅Ａとも小さいのに対し、低回転，低負荷側ではT,
Aとも大きくなる。これは、制御された空燃比が実際に
反転してから空燃比センサ出力が反転するまでに、混合
気の燃焼室への吸入，燃焼，排気、さらに排気マニホル
ドを通過するまで等さまざまな伝達遅れ要因があり、そ
れによる伝達遅れが低回転，低負荷側で大きくなるから
である。さらに伝達遅れが大きくなると、第８図（ｃ）
に示すように、空燃比センサ反転時に帰還制御量をＢだ
けスキップさせても、帰還制御量信号は直ちには反転せ
ず、しばらく積分してやっと反転するという現象が生じ
る。したがって制御周期Ｔは、空燃比センサの反転から
帰還制御量の反転までの遅れ時間だけよけいに大きくな
り、それに伴い、制御振幅Ａもより大きくなる。その結
果、特にアイドリング時等における機関振動（ハンチン
グ）によって運転者に不快感を与えたり、第８図
（ｃ），（ｆ）で明らかなように帰還制御量のリーンか
らリッチ又はリッチからリーンへの反転する際の波形が
機関低回転時と高回転時とで異なるため、空燃比センサ
自体が持つ反転時の検出応答遅れのばらつき（差）が微
妙にずれ、あらかじめ定められた第８図の検出応答遅れ
を補償する遅延時間Ｄが機関運転条件によっては適合で
きなくなって、制御空燃比が理論空燃比からずれ、三元
触媒の排気浄化特性を悪化させるという問題があった。
さらには、空燃比センサ特性のばらつきや経時変化もあ
って、各々の三元触媒について達成し得る最大の浄化特
性を常に実現しておくのは困難であるため、ある程度の
余裕を持たせた過大な容量の三元触媒を使用しなければ
ならないという問題もあった。

ところで、三元触媒は、均一な空燃比の混合気を機関
に供給した場合よりも、理論空燃比を中心にして、やや
リッチとややリーンの混合気を交互に繰り返して供給す
る場合の方が浄化効率が高くなるという実験結果が得ら
れている。さらに、その振動の振幅や周期を種々の値に
変え、触媒の容量を小さいものを用いて浄化効率特性を
測定した結果によれば、O₂センサでリッチ及びリーンの
反転出力応答が得られる振動周期よりも1/5〜1/6の短い
周期で、理論空燃比を中心にしてリッチ，リーンの排気
ガスを触媒に供給する方が、浄化効率が向上することが
判明した。

この発明は上記問題点および考察結果に鑑みてなされ
ったものであって、内燃機関の排気系に設けられた三元
触媒の排気浄化能力を十分に活用することのできる空燃
比のフィードバック制御を実現することを目的とする。

「課題を解決するための手段］この発明に係る排気浄化装置は、機関の排気系に配設
された空燃比センサと、基準信号を形成する基準信号形
成手段と、前記空燃比センサの出力信号と前記基準信号
形成手段からの基準信号を比較し、その偏差に基づいた
偏差信号を出力する比較手段と、所定の積分特性によっ
て前記偏差信号を積分する積分手段と、前記機関の運転
状態を検出する運転状態検出手段と、前記積分手段の出
力信号および前記運転状態検出手段の出力信号を受け、
前記積分手段の積分方向の反転後前記運転状態に応じて
予め定められた時間が経過したときの前記積分手段の出
力を、次に積分方向が反転するまで保持するように補正
する積分出力補正手段と、この積分出力補正手段により
補正された積分出力信号レベルを中心として、前記偏差
信号が反転する周期よりも短い周期と所定の振幅を持つ
振動信号を発生する振動信号発生手段と、前記偏差信号
を比例処理した信号と前記振動信号との加算信号に基づ
いて当該機関の空燃比をフィードバック制御する空燃比
制御手段とを備えたものである。

［作用］この発明においては、空燃比偏差信号を積分する積分
手段の積分方向が反転した後所定時間が経過したときの
積分出力を、次に積分する方向が反転するまで保持する
とともに、このように補正した積分出力信号レベルを中
心として周期の短い振動信号を発生し、この振動信号を
偏差信号の比例処理による信号に加えたものを空燃比フ
ィードバック制御信号として機関の空燃比を制御する。

［実施例］以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明のシステム全体図である。機関（１）
は通常の自動車に搭載される公知の４気筒４サイクル火
花点火式機関で、燃焼用空気をエアクリーナ（２），吸
気管（４），スロットル弁（６）を通じて吸入する。
（３）はこの吸入される空気量を検知する吸気量センサ
である。なお、吸気量センサ（３）の代わりに吸気管圧
力センサ（15）を採用することも可能である。吸気量セ
ンサ（３）としては、ポテンショメータ式，ヒートワイ
ヤ式，カルマン渦式，超音波式等種々のものを用いるこ
とができる。（５）は吸気温センサ、（10）に機関冷却
水温センサで、サーミスタ式が一般に使用されている。
燃料は図示しない燃料系から各気筒に対応して設けられ
ているインジェクタ（８）を通じて供給される。インジ
ェクタ（８）は噴射圧一定タイプのもので、噴射量は開
弁時間に比例する。燃焼後の排気ガスは排気マニホルド
（11），排気管（13），触媒コンバータ（14）等を経て
大気中に放出される。排気管（13）中に設けられた空燃
比センサ（12）は、排気ガス中の酸素濃度、すなわち理
論空燃比からの実際の空燃比のずれを電圧として検出す
るもので、理論空燃比より小さい（リッチ）とは約1V、
理論空燃比より大きい（リーン）ときは約0.1Vの出力を
得る。触媒コンバータ（14）の中には有機排気ガス３成
分（NO_x,CO,HC）を同時に浄化する三元触媒が詰まって
おり、理論空燃比付近で最も優れた浄化性能を示す。回
転センサ（９）は点火コイルの一次側端子の信号を回転
同期信号として用い、この信号で、噴射開始タイミング
の制御および回転数の算出を実行させる。制御回路
（７）は前記各センサ（３），（15），（５），
（９），（10），（12）並びにバッテリー（16）の信号
に基づいて、最適燃料噴射量を演算し、インジェクタ
（８）の開弁時間を制御する。

つぎに、第２図により、制御回路（７）（以下ECUと
記す）について説明する。（70）はECU（７）の主要部
となるマイクロコンピュータで、その内部は公知のROM,
RAM,マイクロプロセッサ，タイマコントローラ等で構成
され、ディジタル式の情報入出力，演算よおび記憶機能
を持つ。マイクロコンピュータ（70）へは、上記各セン
サの内の吸気温センサ（５）および冷却水温センサ（1
0）と、バッテリー（16）からの検出信号、それに、空
燃比センサ（12）を基にしたフィードバック信号が、入
力インタフェース（71）およびA/Dコンバータ（72）を
介して入力される。また、吸気量センサ（３）からの検
出信号（カルマン渦式であれば空気流量に比例したパル
ス信号），回転センサ（９）の検出信号およびキースイ
ッチの入力信号（17）がもう一つの入力インタフェース
（73）を介してマイクロコンピュータ（70）の入力ポー
トに入力される。一方、空燃比センサ（12）の出力信号
は、比較器（20）の一方の入力端子に入力され、別の入
力端子には基準信号形成回路（21）の出力信号V_refが入
力されている。比較器（20）の出力信号は、積分回路
（22），比例増幅回路（23）および反転タイミング検出
回路（24）に入力される。反転タイミング検出回路（2
4）は、比較器（20）の出力信号が“High"又は“Low"レ
ベルに切り換わるタイミングで短い時間のパルス信号を
出力するもので、この出力信号は、マイクロコンピュー
タ（70）に送られ、マイクロコンピュータ（70）におい
て、後述する積分補正回路（25）の動作を時限制御する
ための補正信号を発生するときの時間計測の基準とな
る。振動信号発生回路（26）は、いわゆる電圧制御発振
器であって、積分補正回路（25）で補正変更された積分
回路（22）の出力信号と、マイクロコンピュータ（70）
からD/Aコンバータ（74）を介して送出される周波数制
御用の信号V_freqとを受け、前記積分回路（22）の出力
信号レベルを中心として矩形波の振動信号を発生し、ま
た、その振動信号の周波数を前記信号V_freqの電圧レベ
ルに応じて可変設定する。前記比例増幅回路（23）の出
力信号と振動信号発生回路（26）の出力信号は、加算器
（27）で加算され、空燃比フィードバック制御信号とし
て前記入力インタフェース（71）,A/Dコンバータ（72）
を介しマイクロンコンピュータ（70）に入力される。

マイクロコンピュータ（70）からは後述の手法で演算
された燃料噴射用制御信号がドライバ（75）を介して出
力され、４つのインジェクタ（８）を順次駆動させてゆ
く。

かかる燃料噴射制御（電磁弁駆動時間制御）を機能ブ
ロック図で示すと、第３図のようになる。すなわちECU
（７）は、まずインジェクタ（８）のための基本駆動時
間T_Bを決定する基本駆動時間決定手段（30）を有してお
り、この基本駆動時間決定手段（30）は吸気量センサ
（３）からの吸入空気量Qa情報と回転センサ（９）から
の機関回転数Ne情報とから機関１回転あたりの吸入空気
量Qa/Ne情報を求め、この情報に基づき基本駆動時間T_B
を決定する。また、つづいて、機関冷却水温に応じて補
正係数K_WTを設定する冷却水温補正手段（31），吸気温
に応じて補正係数K_ATを設定する吸気温補正手段（32）,
Qa/Neの変化率に応じて加速増量用の補正係数K_ACを設定
する加速増量補正手段（33），バッテリ電圧に応じて駆
動時間を補正するためデッドタイム（無効時間）T_Dを設
定するデットタイム補正手段（34）によってそれぞれの
補正係数を決定する。また、O₂センサ（12）の検出信号
によるフィードバック動作の結果、その補正係数K_AFを
上記各補正係数と同様の意味をもって決定する。つぎ
に、その動作を第４図を用いて説明する。

第４図（ａ）は、前記比較器（20）への入力信号を示
すものであって、実線は空燃比センサ（12）の検出出
力、一点鎖線はリッチ，リーンの判定レベルを決める基
準信号（V_ref）である。比較器（20）でリッチ（“Low"
出力）またはリーン（“High"出力）判定された空燃比
信号（第４図（ｂ））は、積分器（22）で第４図（ｃ）
で示すように積分される。一方、前記空燃比判定信号の
反転タイミングを示すパルスが反転タイミング検出回路
（24）から第４図（ｄ）に示すように出力され、マイク
ロコンピュータ（70）に入力される。マイクロコンピュ
ータ（70）では、予め運転状態、例えば吸入空気流量Q
a,機関回転数Ne等に応じて設定記憶しておいた時間T_dを
メモリーから読み出し、前記パルスの入力時刻を基準に
して時間T_dを内蔵のタイマーを用いて計測し、T_d時間経
過すると、第４図（ｅ）に示すような積分補正信号を積
分補正回路（25）に出力する。積分補正回路（25）は、
前記補正信号を受けて、積分信号（ｃ）を第４図（ｆ）
の実線に示す如く補正処理する。振動信号発生回路（2
6）では、上記積分補正回路（25）の出力信号レベルを
中心として、矩形波の振動信号が発生し第４図（ｆ）の
破線の如く出力される。第４図（ｇ）は、上記の振動信
号と、比較器（20）の出力信号（第４図（ｂ））を所定
の比例ゲインで比例増幅した信号とを加え合わせたもの
で、加算器（27）から出力される信号である。

以上のようにして、空燃比フィードバック制御信号
（第４図（ｇ）の実線波形）が生成される。この信号は
前記空燃比補正係数K_AFに相当する電圧信号で、インタ
フェース（71）,A/Dコンバータ（72）を介してディジタ
ル信号としてマイクロンコンピュータ（70）に入力され
る。

第５図は、上記で説明した振動信号の発生周波数が運
転状態に応じて変化することを説明するための動作波形
図である。第５図（ａ）は第４図（ａ）と同様空燃比セ
ンサ（12）の検出出力である。第５図（ｂ）は、マイク
ロコンピュータ（70）からD/Aコンバータ（74）を介し
て振動信号発生回路（26）に入力される周波数制御用の
電圧信号V_freqで、この場合は機関回転数Neに比例した
電圧が送出されている。なお、機関回転数Neに代えて機
関が吸入する空気流量Qaに比例した電圧とすることも可
能である。上記に加えてさらに冷却水温T_wにも応じて、
振動信号の周波数が変化するようにすることが可能であ
る。そうすれば、触媒作用の温度特性変化に適合させる
ことができ、浄化作用向上の効果がより大きくなる。振
動信号発生回路（26）は、上記周波数制御用信号V_freq
を受けて、機関回転数Neに応じて周波数を変更制御す
る。第５図（ｃ）は、機関回転数Neが大きくなるにした
がって振動周波数が高くなっていく様子を示している。

上述の動作により、インジェクタの駆動時間T_injを下
記の式にしたがって計算することができる。そして、こ
の駆動時間T_injでインジェクタ（８）を所定のタイミン
グで、この場合は機関の回転に同期して１回転に２回ず
つ、開弁動作をさせ、燃料を機関に供給する。

T_inj＝T_B×K_WT×K_AT×K_AC×K_AFS＋T_D 上記燃料噴射制御（空燃比制御）は、第４図を用いて
説明した空燃比補正係数K_AF相当の電圧信号生成のため
のフィードバック制御回路を除いては、既に公知の技
術、例えば特公昭62−12379号等に記載の方法により実
現されるものであるので、ここではフローチャート等に
よるプログラムの動作説明は省略する。

なお、この実施例では、第４図に示されるフィードバ
ック動作をアナログ的に実現する動作について説明した
が、例えば、比較器（20）の入力信号を空燃比センサの
応答時間よりも十分短い時間でA/D変換し、そのA/D変換
に同期して、その後の動作、即ち積分回路（22）などの
動作をマイクロコンピュータ（70）内でディジタル式に
実行させれば、多少離散的な動作にはなるが、第４図で
示す動作と全く同様の動作が実現でき、その交換につい
ても全く同様のものが得られることはいうまでもない。

第６図は上記実施例の効果を示す実験結果の一例であ
る。使用した三元触媒は現在実用化されているものと同
じで、その容量を小さくしている。なお、この三元触媒
は、通常の容量ならば90％以上の浄化効率を示すもので
ある。この図に示すように、有害成分であるHC,CO,NO_x
によって浄化効率特性の様相が異なってはいるが、いず
れにしても、平均空燃比が理論空燃比付近に保たれてい
るときの浄化効率が従来のものより向上している。

第７図は本発明の別の実施例を示すシステム全体図で
ある。この図の場合、第１図とは空燃比センサ（12）の
設置場所が異なっているだけで、他は全く同じである。
この実施例では、空燃比センサ（12）が排気系より下流
側で、触媒の浄化作用を一部受けた排出ガス中に位置す
るよう設置されているが、この場合でも、この発明によ
れば、第４図（ｅ）中に示した時間T_dの設定値を変更す
ることで、第４図（ｂ）で示されるリッチ／リーンの反
転周期は長くなるが機関に供給される空燃比の変動幅は
ほとんど大きくなることがないようにすることが可能で
あり、第１図の場合と同様の効果が得られる。また、こ
の第７図の実施例では、空燃比センサ（12）の触媒の浄
化作用を一部受けた状態の排出ガス中に設けられるた
め、空燃比センサ自信の経時劣化が第１図の場合よりは
小さくなり、空燃比制御特性の変動やばらつきがより小
さくなることも期待できる。

［発明の効果］以上のようにこの発明によれば、内燃機関の排気系に
設けられた三元触媒の達成し得る排気ガス浄化能力を十
分に活用するように空燃比をフィードバック制御するこ
とが可能になり、広い制御領域で高い排気ガス浄化能率
を維持することができる。したがって、また、触媒容量
を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による排気浄化装置の一実施例に係る
全体構成図、第２図は同実施例における制御回路の構成
図、第３図は同実施例における制御回路の動作を説明す
る機能ブロック図、第４図および第５図は同実施例にお
ける空燃比センサ検出信号による空燃比のフィードバッ
ク制御動作を説明するための動作波形図、第６図は同実
施例の動作結果を従来装置のものと比較して示す実験デ
ータの一例、第７図はこの発明による排気浄化装置の別
の実施例に係る全体構成図、第８図は従来装置における
空燃比センサを用いたフィードバック制御の動作波形図
である。図において、（１）は機関、（３）は吸気量センサ、
（７）は制御回路、（８）はインジェクタ、（９）は回
転センサ、（12）は空燃比センサ、（14）は触媒コンバ
ータ、（15）は吸気管圧力センサ、（20）は比較器、
（21）は基準信号形成回路、（22）は積分回路、（23）
は比較増幅回路、（25）は積分補正回路、（26）は振動
信号発生回路、（27）は加算器である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者橋本徹東京都港区芝５丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者三宅光浩東京都港区芝５丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者西田稔兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社産業システム研究所内 (56)参考文献特開昭64−66441（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−23531（ＪＰ，Ａ) 実開昭53−48915（ＪＰ，Ｕ) 特許2728744（ＪＰ，Ｂ２) 特公平７−33788（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02D 41/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】機関の排気系に配設された空燃比センサ
と、基準信号を形成する基準信号形成手段と、前記空燃
比センサの出力信号と前記基準信号形成手段からの基準
信号を比較し、その偏差に基づいた偏差信号を出力する
比較手段と、所定の積分特性によって前記偏差信号を積
分する積分手段と、前記機関の運転状態を検出する運転
状態検出手段と、前記積分手段の出力信号および前記運
転状態検出手段の出力信号を受け、前記積分手段の積分
方向の反転後前記運転状態に応じて予め定められた時間
が経過したときの前記積分手段の出力を、次に積分方向
が反転するまで保持するように補正する積分出力補正手
段と、該積分出力補正手段により補正された積分出力信
号レベルを中心として、前記偏差信号が反転する周期よ
りも短い周期と所定の振幅を持つ振動信号を発生する振
動信号発生手段と、前記偏差信号を比例処理した信号と
前記振動信号との加算信号に基づいて当該機関の空燃比
をフィードバック制御する空燃比制御手段とを備えたこ
とを特徴とする排気浄化装置。